CN109385555A - 一种铜铬锆合金及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种铜铬锆合金，其特征在于按重量计，由以下原料制成：0.2－1.2%的铬，0.05－0.2%的锆，0.06－0.10%的镁，0.05－0.5%的钪，余量为铜。本发明还提供上述铬锆铜合金的一种制备方法，依次包括下述步骤：（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；（2）对铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；（3）对棒坯进行固溶处理；（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，得到所需的铬锆铜合金。本发明的铜铬锆合金具有高抗拉强度、高电导率和高延伸率，且具有较高的高温抗拉强度，综合性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及铜合金材料技术领域，具体涉及一种铜铬锆合金及其制备方法。
背景技术
铜铬锆系合金作为高强高导析出强化型铜合金，除了在电子、电力、轨道交通牵引电机关键部件、IC引线框架及部件、连续铸钢结晶器等多个方面作为关键材料，在焊接领域也有广泛的运用，是制作电极的重要材料。铜铬锆合金具有良好的力学性能和物理性能，广泛用于电机整流子、点焊机、缝焊机、对焊机用电极，以及其它高温要求强度、硬度、导电性的零件。
公告号为CN1323179C的中国发明专利说明书公开了一种铜基合金材料，铜基合金材料重量百分比成分：0.01～2.5Cr，0.01～2.0Zr，0.01～2.0Y、La、Sm之任一种，余量Cu。这种铜基合金材料延伸率低，影响后续加工，材料导电率也不高。
随着我国现代化的高速发展，焊接关键部件对铜合金的强度、导电性、塑性综合性能提出了更高的要求。因此，迫切需要一种具有高抗软化温度、高抗拉强度、高电导率和高延伸率的新型铜铬锆合金材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铜铬锆合金以及这种铜铬锆合金的制备方法，这种铜铬锆合金具有高抗拉强度、高电导率和高延伸率，且具有较高的高温抗拉强度，综合性能优异。采用的技术方案如下：
一种铜铬锆合金，其特征在于按重量计，由以下原料制成：0.2－1.2%的铬，0.05－0.2%的锆，0.06－0.10%的镁，0.05－0.5%的钪，余量为铜。
本发明还提供上述铬锆铜合金的一种制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：
（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；
（2）对步骤（1）制得的铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；
（3）对步骤（2）制得的棒坯进行固溶处理；
（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；
（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，得到所需的铬锆铜合金。
优选步骤（1）中，铬元素以铬粉（优选铬粉的粒度为200－500目）加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入。
优选步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为40－60Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温10－15分钟；然后充入0.03－0.05MPa的纯氩气，炉温在1250－1300℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼10－15分钟之后，调整出炉温度，在1180－1200℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个（如三个）预热保温的模具内，模具预热温度为400－500℃。采用分流式浇注，可减小晶粒尺寸和减轻成分偏析。
优选步骤（1）中，在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理。二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为10-20PPI（Pores PerLinear Inch）的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤。通过二级过滤处理，可减少铸锭夹杂。
优选步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到900－980℃，保温0.5－2小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为5－20，得到棒坯。
优选步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在940－980℃下保温1－2小时，然后进行水淬（即在水中淬火）。
一优选方案中，步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行锻造或拉拔，其中锻造变形量为30－70%，拉拔变形量为20－90%。
另一优选方案中，步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行第一次锻造或第一次拉拔，其中第一次锻造变形量为30－50%，第一次拉拔变形量为30－50%；然后在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第二次锻造或第二次拉拔，其中第二次锻造变形量为20－40%，第二次拉拔变形量为20－50%；再在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第三次锻造或第三次拉拔，其中第三次锻造变形量为20－30%，第三次拉拔变形量为20－40%。总变形量达到70-90%。
优选步骤（5）中，时效温度为400－500℃，时效时间为2－5小时。
本发明在传统铜铬锆合金的基础上，添加微量的对铜合金电导率影响较小的钪元素，发挥钪的净化、细化和提高抗高温软化的作用，使合金中杂质减少，且能提高抗软化温度，从而提高高温抗拉强度；同时，控制铸坯铸造和凝固过程，使成分偏析减轻，减少夹杂，有利于强化相的弥散析出，在合金强度和导电性能取得均衡；另外，通过合适的变形加工工艺，发挥细晶强化作用，同时提高合金强度和韧性。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：1、在传统铜铬锆合金基础上，添加适量的镁和钪元素；适量的镁的加入有利于除氧，还能起到很好的固溶强化作用，并可避免电导率的降低；钪的添加不但可以细化铸态组织，提高铸坯后续变形能力，还能起到净化作用，使铜中杂质减少，晶格畸变减弱，导电性能改善，还可以提高铜的再结晶温度，从而提高高温抗软化温度及高温抗拉强度；2、通过均匀化处理、热挤压、固溶处理、冷变形加工（锻造或拉拔）和时效处理等工艺，使制得的铜铬锆合金具有良好的综合性能。本发明的铜铬锆合金的室温抗拉强度＞520MPa，室温延伸率≥20%，室温导电率≥88%IACS，再结晶温度相对于传统铜铬锆合金提高150-200℃，抗软化温度可提高到600-700℃，350℃高温抗拉强度≥440MPa，能较好满足轨道交通牵引电机关键部件、IC引线框架特别是电阻焊电极等领域用材料对铜合金综合性能要求。
具体实施方式
实施例1
本实施例中，铬锆铜合金的制备方法依次包括下述步骤：
（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；
本步骤（1）中，按重量计，配备的原料中含有：1.2%的铬，0.2%的锆，0.06%的镁，0.08%的钪，余量为铜。铬元素以铬粉（铬粉的粒度为200－500目）加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入（铜元素还包括镁铜中间合金、钪铜中间合金中所含的铜）。
本步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为50Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温10分钟；然后充入0.04MPa的纯氩气，炉温在1270℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼10分钟之后，调整出炉温度，在1180℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个（如三个）预热保温的模具内，模具预热温度为420℃。在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理，二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为20PPI的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤。
（2）对步骤（1）制得的铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；
本步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到950℃，保温1小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为10，得到棒坯。
（3）对步骤（2）制得的棒坯进行固溶处理；
本步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在950℃下保温2小时，然后进行水淬。
（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；
本步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行第一次拉拔，第一次拉拔变形量为50%；然后在450℃下保温2小时，再进行第二次拉拔，第二次拉拔变形量为40%；再在450℃下保温2小时，再进行第三次拉拔，第三次拉拔变形量为20%。
（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，时效温度为450℃，时效时间为3小时，得到所需的铬锆铜合金。
制得的铬锆铜合金具有良好的综合性能，其室温抗拉强度为530MPa，室温延伸率为23%，室温导电率为92%IACS，350℃高温抗拉强度为440MPa（传统铜铬锆合金350℃高温抗拉强度约为400MPa）。
实施例2
本实施例中，铬锆铜合金的制备方法依次包括下述步骤：
（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；
本步骤（1）中，按重量计，配备的原料中含有：0.7%的铬，0.2%的锆，0.08%的镁，0.15%的钪，余量为铜。铬元素以铬粉（铬粉的粒度为200－500目）加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入（铜元素还包括镁铜中间合金、钪铜中间合金中所含的铜）。
本步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为40Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温15分钟；然后充入0.03MPa的纯氩气，炉温在1250℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼15分钟之后，调整出炉温度，在1190℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个（如三个）预热保温的模具内，模具预热温度为420℃。在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理，二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为10PPI的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤。
（2）对步骤（1）制得的铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；
本步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到900℃，保温2小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为6，得到棒坯。
（3）对步骤（2）制得的棒坯进行固溶处理；
本步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在980℃下保温1小时，然后进行水淬。
（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；
本步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行锻造，锻造变形量为70%。
（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，时效温度为420℃，时效时间为4小时，得到所需的铬锆铜合金。
制得的合金材料具有良好的综合性能，其室温抗拉强度为536MPa，室温延伸率为22%，室温导电率为90%IACS，350℃高温抗拉强度为445MPa（传统铜铬锆合金350℃高温抗拉强度约为400MPa）。
实施例3
本实施例中，铬锆铜合金的制备方法依次包括下述步骤：
（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；
本步骤（1）中，按重量计，配备的原料中含有：1.0%的铬，0.07%的锆，0.10%的镁，0.5%的钪，余量为铜。铬元素以铬粉（铬粉的粒度为200－500目）加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入（铜元素还包括镁铜中间合金、钪铜中间合金中所含的铜）。
本步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为60Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温12分钟；然后充入0.05MPa的纯氩气，炉温在1300℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼12分钟之后，调整出炉温度，在1200℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个（如三个）预热保温的模具内，模具预热温度为480℃。在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理，二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为20PPI的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤。
（2）对步骤（1）制得的铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；
本步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到980℃，保温0.5小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为20，得到棒坯。
（3）对步骤（2）制得的棒坯进行固溶处理；
本步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在960℃下保温1.5小时，然后进行水淬。
（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；
本步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行第一次拉拔，第一次拉拔变形量为50%；然后在450℃下保温2小时，再进行第二次拉拔，第二次拉拔变形量为40%；再在450℃下保温2小时，再进行第三次拉拔，第三次拉拔变形量为35%。
（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，时效温度为500℃，时效时间为2.5小时，得到所需的铬锆铜合金。
制得的铜铬锆合金具有良好的综合性能，其室温抗拉强度为543MPa，室温延伸率为21%，室温导电率为89%IACS，350℃高温抗拉强度为465MPa（传统铜铬锆合金350℃高温抗拉强度约为400MPa）。
Claims (10)
1.一种铜铬锆合金，其特征在于按重量计，由以下原料制成：0.2－1.2%的铬，0.05－0.2%的锆，0.06－0.10%的镁，0.05－0.5%的钪，余量为铜。
2.权利要求1所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于依次包括下述步骤：
（1）按比例配备铜、铬、锆、镁、钪元素，经过真空熔炼、分流式浇注，制得铸坯；
（2）对步骤（1）制得的铸坯进行均匀化处理、热挤压，制得棒坯；
（3）对步骤（2）制得的棒坯进行固溶处理；
（4）对经固溶处理的棒坯进行冷变形加工；
（5）对冷变形加工后得到的材料进行时效处理，得到所需的铬锆铜合金。
3.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：
所述步骤（1）中，铬元素以铬粉加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入；
所述步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为40－60Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温10－15分钟；然后充入0.03－0.05MPa的纯氩气，炉温在1250－1300℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼10－15分钟之后，调整出炉温度，在1180－1200℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个预热保温的模具内，模具预热温度为400－500℃。
4.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理；二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为10-20PPI的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤。
5.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到900－980℃，保温0.5－2小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为5－20，得到棒坯。
6.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在940－980℃下保温1－2小时，然后进行水淬。
7.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行锻造或拉拔，其中锻造变形量为30－70%，拉拔变形量为20－90%。
8.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行第一次锻造或第一次拉拔，其中第一次锻造变形量为30－50%，第一次拉拔变形量为30－50%；然后在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第二次锻造或第二次拉拔，其中第二次锻造变形量为20－40%，第二次拉拔变形量为20－50%；再在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第三次锻造或第三次拉拔，其中第三次锻造变形量为20－30%，第三次拉拔变形量为20－40%。
9.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）中，时效温度为400－500℃，时效时间为2－5小时。
10.根据权利要求2所述的铬锆铜合金的制备方法，其特征在于：
所述步骤（1）中，铬元素以铬粉加入，锆元素以海绵锆加入，镁元素以镁铜中间合金加入，钪元素以钪铜中间合金加入，铜元素以铜块加入；
所述步骤（1）中，真空熔炼和分流式浇注的过程为：将铬粉、铜块放入真空熔炼炉的坩埚内；然后关闭炉门并抽真空，待炉内压强为40－60Pa时，开启电源开关进行熔炼，待炉料全部熔化后保温10－15分钟；然后充入0.03－0.05MPa的纯氩气，炉温在1250－1300℃时加入海绵锆、镁铜中间合金和钪铜中间合金，熔炼10－15分钟之后，调整出炉温度，在1180－1200℃时进行浇注；浇注时采用分流式浇注，使熔体均匀浇注到多个预热保温的模具内，模具预热温度为400－500℃；
所述步骤（1）中，在进行分流式浇注时，对熔体进行二级过滤处理；二级过滤处理的方法是：在浇注设备的中间包和分流盘上分别设置一个孔隙密度为10-20PPI的陶瓷过滤片，对熔体进行过滤；
所述步骤（2）中，均匀化处理和热挤压的过程为：将步骤（1）制得的铸坯加热到900－980℃，保温0.5－2小时后进行均匀化处理，然后在热挤压机上挤压，挤压比为5－20，得到棒坯；
所述步骤（3）中，固溶处理的过程为：将步骤（2）制得的棒坯装入热处理炉中，在940－980℃下保温1－2小时，然后进行水淬；
所述步骤（4）中冷变形加工的过程为：对经固溶处理的棒坯进行第一次锻造或第一次拉拔，其中第一次锻造变形量为30－50%，第一次拉拔变形量为30－50%；然后在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第二次锻造或第二次拉拔，其中第二次锻造变形量为20－40%，第二次拉拔变形量为20－50%；再在440－500℃下保温2－2.5小时，再进行第三次锻造或第三次拉拔，其中第三次锻造变形量为20－30%，第三次拉拔变形量为20－40%；
所述步骤（5）中，时效温度为400－500℃，时效时间为2－5小时。
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